线粒体功能障碍和神经退行性蛋白病：机制和治疗干预前景

线粒体与淀粉样β和tau的关系

AD是最常见的蛋白质病，其特征是含有淀粉样β（Aβ）的细胞外斑块和tau的细胞内缠结堆积。Aβ和tau对线粒体都有不利影响[4]. 线粒体DNA维持、蛋白质导入、电子传递链（ETC）活性和氧化还原平衡的中断都是Aβ诱导毒性的结果[5–12] (图3和表1). 已经观察到Aβ肽的线粒体定位，尽管确切的线粒体亚拓扑结构尚不明确[13,14]事实上，Aβ可能在线粒体相关膜（MAM）产生[15]，连接线粒体–ER接触位点，Ca²⁺处理和生物能量学对Aβ毒性。

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图3。

错误折叠蛋白质的线粒体毒性。

红色轮廓表示错误折叠的蛋白质，箭头表示线粒体定向关联或毒性。

Tau是一种高溶解性的天然未折叠蛋白质[16]. Tau过度磷酸化损害其结合和稳定微管的能力，而Tau聚集和神经元内丝在Tau病的病理学中很常见(图1). tau对线粒体动力学和质量控制的影响已被充分记录[17–21] (图3). N端tau片段与线粒体功能变化和线粒体质量控制缺陷有关，从突触体分离的人类线粒体中tau片段的积累与AD中观察到的突触变化有关[17,22,23]. 在培养细胞或体内tau病模型[18,24,25] (表1).

一些文献表明，（磷酸）τ和Aβ的积累是线粒体功能障碍的直接后果[26–30]. 线粒体蛋白酶和伴侣蛋白的干扰已证明与AD疾病标记物有关。线粒体基质肽酶（pitrilysin metalloprotease 1，PITRM1）的错义突变与Aβ阳性沉积和缓慢进展的神经退行性表型有关[31]. 此外，在AD患者的颞叶区域观察到前序列蛋白酶（PreP）活性降低[32]并与Aβ加工有关[33]. 过度表达热休克伴侣莫特林可减轻Aβ诱导的毒性，而药物抑制或莫特林siRNA下调可诱导DRP-1（动力相关蛋白1）介导的线粒体分裂，并增强Aβ诱导线粒体和细胞毒性[34,35]. 对于致病性τ，抗氧化治疗草皮2未合子新生小鼠逆转磷-τ积累，使线粒体氧化应激位于τ病理学上游[26]. 最后，由于线粒体膜支架蛋白抑制素2（PHB2）或米-AAA蛋白酶亚基AFG3L2均导致tau过度磷酸化[27,36]可能与线粒体功能障碍和细胞骨架有关。综上所述，这些观察结果将线粒体动力学、质量控制和功能与Aβ和τ的积累和毒性联系起来。

与联核蛋白病相关的线粒体毒性

PD的特征是黑质致密部多巴胺能神经元丢失，纹状体多巴胺创新减少。线粒体功能障碍是散发性和家族性疾病的显著病理特征[39–45]和许多PD-causing基因具有明显的线粒体表型[44–53]. 不溶性α-突触核蛋白（α-syn）的积累是许多临床表型的共同特征，统称为突触核蛋白病[54] (图1).

α-syn的线粒体定位对线粒体功能、形态和动力学产生负面影响[46,55–60] (图3和表2). α-syn对线粒体的组成性输入是跨膜电位依赖性的，并通过N末端区域内的隐性线粒体靶向序列促进[57]. α-Syn与线粒体内膜相关，其中观察到对线粒体复合物I的直接相互作用和毒性[46,57]. 寡聚物和多巴胺修饰的α-syn依赖性蛋白输入减少是通过破坏线粒体外膜（TOMM）-20转定位酶与其共受体TOMM22之间的关联而发生的[61]. 因此，黑质纹状体神经元蛋白质输入减少会损害线粒体功能，降低呼吸和跨膜电位，增加线粒体活性氧（ROS）[61]. 粗线粒体制剂的纯化导致了α-syn实际上定位于MAM的假设[58]α-syn点突变减少线粒体与ER的接触，导致线粒体断裂[58]. 最后，α-syn对线粒体质量控制有显著影响，其积累被认为是有丝分裂缺陷的结果[50,62,63]. α-Syn与LC3竞争线粒体外膜上的心磷脂。心磷脂促进α-syn低聚物的复性；然而，在长时间接触后，招募LC3。突变的α-Syn与LC3竞争的能力较弱，导致在疾病细胞中观察到的线粒体自噬流量增加[64].

线粒体通透性转换孔开放的抑制

线粒体通透性转换孔（mPTP）开放被认为是多种神经退行性疾病的主要细胞死亡途径[76–78]. 线粒体氧化还原平衡向氧化应激的转变，再加上Ca²⁺过载，触发mPTP的开放，导致渗透性肿胀、电子传递解偶联和代谢崩溃[79–86]. 线粒体基质酶亲环素D（CypD）是已知的mPTP开放的正调控因子[86]. CypD的基因消融或药物抑制使孔隙对钙不敏感²⁺，限制孔隙开口[85,86]. Aβ和CypD之间的直接结合将淀粉样蛋白毒性与AD中mPTP开放性联系起来[38,87]CypD缺乏可纠正AD模型中观察到的线粒体运输缺陷[88]. 以前的文献支持F的作用₁F类₀-气孔形成中的ATP合成酶[89,90]表明寡粘蛋白敏感性相关蛋白（OSCP）是CypD的对接位点[90]. 有趣的是，OSCP在AD进展过程中降低，并可能直接与Aβ相互作用[37]. 鉴于CypD、OSCP、Aβ和mPTP开放倾向之间的关系，靶向这些过程可能具有临床益处。事实上，最近，表型筛选方法已经在aβ诱导的mPTP开放模型中鉴定了mPTP抑制剂和CypD结合化合物[91–94]. 还观察到α-syn的N末端区域的过度表达可以调节线粒体膜的通透性[67]，将mPTP与联核蛋白病联系起来。此外，在过度表达后，α-syn与腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT）相关，后者是另一种推测的孔隙成分[95,96]. 有趣的是，对ANT的药物抑制部分逆转了相关的α-合成酶诱导的线粒体毒性[97].

亲环素同工酶家族内的同源性使得选择性靶向CypD治疗具有挑战性[98]. 此外，由于CypD不构成主要的孔成分，并且影响是间接的，因此在足够的刺激下，线粒体仍然能够进行通透性转变[86,99]. CypD对mPTP抑制剂环孢霉素A（CsA）具有敏感性[85,100]，并开发了大量CsA类似物[101,102]. 环孢素A及其衍生物是大分子量的天然产物，很难穿透血脑屏障，限制了对神经退行性疾病的疗效。许多研究小组已经开发出CypD-非依赖性抑制剂[103–107]但迄今为止，据我们所知，还没有在神经退行性疾病模型中进行过测试。

激活线粒体吞噬功能改善神经退行性蛋白病的线粒体功能

功能失调的溶酶体和蛋白酶体降解途径与神经退行性疾病有关。一种被称为有丝分裂的选择性大自噬形式负责清除细胞中有缺陷的线粒体[44,45,108–110]. PTEN诱导的假定激酶1（PINK1）和parkin是有丝分裂的调节器，是识别和标记缺陷线粒体以便清除的机制的组成部分[110,111] (图4). 这些蛋白的突变与有丝分裂途径功能障碍之间的联系对家族性和散发性帕金森病都有直接影响[43,51,112].

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图4。

有缺陷的线粒体通过有丝分裂从细胞中清除。

在健康线粒体中，由于泛素化线粒体蛋白、PINK1的导入和降解的丰度低，线粒体的有丝分裂进程缓慢。PINK1在线粒体去极化和磷酸化parkin和ubiquitin后在OMM上稳定。Parkin被激活并转移到线粒体。Parkin泛素化外膜蛋白，外膜蛋白随后作为自噬适配器蛋白的靶点，线粒体随后通过自噬机制被清除。缩写：IMM，线粒体内膜；OMM，线粒体外膜；线粒体内膜转位酶；线粒体加工肽酶；MTS，线粒体靶向序列；TOMM，线粒体外膜转位酶；Ub，泛素。

α-syn间隙可能需要PINK1和驻车功能。在神经退行性变之前，α-syn A53T转基因小鼠积累了含有线粒体残留物和自噬标记的神经元内含物，随着PINK1或parkin基因敲除，这些内含物的大小和数量增加[62]. PINK1功能丧失增强A53T表型，降低寿命，增加运动缺陷和蛋白质聚集[63]. 同样，来自突变PINK1/parkin携带者的iPSCs积累细胞质内含物和不溶性α-syn，PINK1再表达后可部分纠正这一表型[50]. 有趣的是，线粒体解偶联后，自噬α-syn的清除减少，少突胶质细胞聚集形成的可能性增加，这表明随着时间的推移，线粒体损伤可能在α-syn积累中起作用[48]. 最后，提出了α-syn模型中PINK1保护的新机制，该机制通过蛋白磷酸酶2A活性介导[113].

AD患者和转基因AD模型中PINK1表达下调[114]. 此外，与对照组相比，PINK1的缺失增加了突变APP表型，并在突变APP小鼠的海马中立体定向注射rAAV2–PINK1-显著降低了Aβ，改善了突触功能和记忆[114]. 在AD患者脑匀浆和转基因小鼠中发现有丝分裂缺陷和异常tau积累之间的联系。这种缺陷可以通过上调parkin表达来缓解[20]. 还发现外源性parkin可降低Aβ水平在体外和Aβ诱导的转基因小鼠斑块形成[115–117].

Parkin激活可能是一种有希望的策略，可以增强疾病模型中的有丝分裂。尼罗替尼最初被发现是一种酪氨酸激酶抑制剂，增加帕金的丰度和泛素化，可能通过蛋白酶体增加帕金循环[118]. 尼罗替尼b介导的c-ABL抑制也可阻止帕金酪氨酸磷酸化，导致帕金自身抑制释放，并在PD模型中显示保护作用[119]. 此外，尼罗替尼经长期治疗后可增加转基因APP小鼠中parkin–beclin 1的相互作用并增加Aβ的清除[120]. 最后，关于ALS和FTD，在TDP-43转基因小鼠中测量的运动和认知缺陷也使用尼洛替尼逆转[121].

神经退行性蛋白病中的去泛素酶

泛素-蛋白酶体系统（UPS）的下调在神经退行性疾病中很常见，促进UPS活性是一种新兴的蛋白质病治疗策略。泛素酶（DUBs）水解异肽，共价结合泛素与蛋白质，调节降解、定位或活性。多个DUB调节线粒体功能[122–126]. 泛素特异性蛋白酶15（USP15）和USP30均拮抗帕金介导的有丝分裂[122,125]. USP30是唯一只定位于线粒体的DUB[127]系在线粒体外膜上。USP30氘化物帕金基质，包括TOMM20和MIRO1[122]，并且抑制被认为可以增强parkin介导的有丝分裂[128,129] (图4). 在一项研究中，USP35也被发现反对帕金介导的有丝分裂，它对USP30具有独特的机制，并且对帕金的易位缺乏影响[124]. USP8通过从帕金中去除赖氨酸-6-连接泛素来增强有丝分裂，促进其周转[126]. 然而，令人困惑的是，USP8基因敲除也限制了α-syn模型在黑腹果蝇[130]. 其他DUB定位于线粒体，但并不完全如此；共济失调蛋白-3[131,132]和X染色体连接的氘化酶，USP9x[132]已证明线粒体在特定条件下定位。USP9x氘化α-syn和沉默增加了单-双奎化α-syn的丰度，增强了其聚集倾向[133].

作者感谢Jim Staddon在手稿准备过程中提出的有益意见和建议。